GNSS-INS组合导航系统发展现状的评估

GNSS-INS 组合导航系统发展现状的评估

盖猛

空军工程大学信息与导航学院 陕西西安 710082

摘要：对飞机、舰艇、潜艇等高动态运载体，通常会在载体上加装惯性导航系统（INS），将其作为导航手段之一。INS不依赖任何外部信息，可提供实时位置、速度和姿态信息，但其导航定位误差会随时间不断叠加，发生漂移。因此，INS与GNSS配合，能够优势互补，实现全天候的连续准确导航。

关键词：组合导航；全天候；准确导航；发展现状；信息融合

Abstract: Inertial navigation system (INS) is usually installed on aircraft, ships, submarines and other high dynamic carriers as one of the navigation means. INS does not rely on any external information and can provide real-time position, speed and attitude information, but its navigation and positioning errors will continue to accumulate over time and drift. Therefore, THE combination of INS and GNSS can complement each other to achieve all-weather continuous and accurate navigation.

Key words: integrated navigation; The clock; Accurate navigation; Development status; Information fusion

1概述

组合导航是指获取多种不同的导航设备对同一目标的观测量，通过这些观测量互相比较进行误差校正，即利用不同导航设备性能上的各自的优点，使经过组合后的导航系统获得更好的性能。以INS和GNSS构造的组合导航系统是一种主流的组合模式，其有效利用了二者各自的优点，实现了系统间的优势互补，有效降低了系统误差和使用成本，提高了系统的精度，在各导航领域都得到了广泛的应用。GNSS/INS组合导航系统的研究兴起于上世纪八十年代，发展到现在，主要形成了松组合、紧组合、深组合三种。其中，松组合与紧组合的原理和结构比较简单，在实际应用中容易实现，是目前GNSS和INS组合导航的主要应用模型，而深组合模式主要体现在两系统相互辅助，组合模式比较复杂，仍处于研究阶段。

2.GNSS/INS松组合导航系统

松组合(loosely-coupled)是将INS和GNSS在位置、速度、姿态这一层面上的观测量进行信息融合。在松组合导航系统中，GNSS和INS作为两个子系统，各自独立运行，分别解算出的位置和速度;将二者解算出的位置和速度作差，以差值作为量测向量，通过卡尔曼滤波实现最优估计，并对INS误差进行校正。松组合的优点是滤波器结构简单，系统计算负担小，软件编程和硬件设计都容易实现，能够提高系统精度。同时其缺点也很明显，当可见卫星数不足四颗时 GNSS失效，且在高动态环境下的定位误差会大大增加，局限性较为明显。

3.GNSS/INS紧组合导航系统

紧组合(tightly-coupled)是伪距、伪距率、多普勒或载波频率层面的组合模 式。在紧组合导航系统中，GNSS和INS各自利用卫星星历解算出的伪距、伪距率并分别做差，以差值为量测向量，同样参与到卡尔曼滤波过程中来，并利用输出的结果来校正INS误差。相比于松组合，因为观测量的不同，当可见卫星数不足时，紧组合导航系统依然保持正常运行，不会因为INS单独运行而导致解算误差迅速增加；但同时，紧组合的观测量是各接收机的原始数据，系统的计算负担较大，容易出现无法实时定位的情况。目前，GNSS/INS紧组合导航系统已研制成功并投入使用。

4.GNSS/INS深组合导航系统

深组合(deeply-coupled）在接收机内部实现了GNSS和INS量测信息的深度 融合，其组合模块发生在GNSS接收机跟踪环路。不同于松组合和紧组合通过滤 波结果对INS误差进行校正，深组合更侧重于INS辅助GNSS进行信号捕获与跟踪;相比于松组合与紧组合模式，深组合能有效提升系统在高动态等复杂环境下的性能，增强了系统的连续性和可用性，但紧组合系统结构复杂，实现难度 大，目前仍处于研究阶段，距离大规模推广还有很长的距离。

5. 结束语

实现GNSS和INS的信息融合，是当前GNSS在航空领域应用中急需解决的关键问题。组合导航在实现时，首先要建立准确的系统模型，然后采用合适的信息融合算法对观测数据进行融合处理来得到状态变量的最优估计值，在此基础上进行完好性检测。随着今后我国以北斗导航系统为核心，构建国家综合导航定位授时体系，组合导航必将在各行各业拥有更多的用武之地。